月球“土特產(chǎn)”太珍貴 科學(xué)家“一土多吃”榨出最大價值

婁玉琳

12月17日凌晨，赴月“出差”23天的嫦娥五號返回器成功降落在內(nèi)蒙古四子王旗，嫦娥五號“挖土”任務(wù)順利完成。此次任務(wù)共帶回約1731克月壤樣品，之后，這些珍貴的月壤樣品將進(jìn)入科研領(lǐng)域，為人類了解月球、探索更遙遠(yuǎn)的深空提供重要參考。但是，嫦娥五號千辛萬苦帶回來的月壤樣品為什么一定要保證“原汁原味”，又是怎樣做到的？對待這些用一點(diǎn)少一點(diǎn)的樣品，科學(xué)家們準(zhǔn)備采取怎樣的方式進(jìn)行分析研究呢？為此筆者采訪了相關(guān)專家。

分析結(jié)果受影響已有前車之鑒

在采樣、封裝、運(yùn)輸、開艙、移交的整個過程中，如何保證此次嫦娥五號帶回來的月壤樣品不被污染是設(shè)計者們極為關(guān)注的問題，直接關(guān)系到后續(xù)的分析、研究工作能否順利開展以及月壤樣品分析的成果能否取信于人。

“地球大氣中存在的氧氣、水分，甚至地球環(huán)境中的各類微生物等，都有可能對樣品造成污染。”嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢介紹，在阿波羅登月時代的兩個案例可以很好地證明這一點(diǎn)?！霸趯Π⒉_帶回的月壤樣品進(jìn)行分析后，曾有科學(xué)家宣布月壤中是含水的，但這受到很多人的質(zhì)疑，因?yàn)樵诎⒉_的樣品運(yùn)輸、處理中都無法確保其未接觸地球的大氣，而根據(jù)我們從地球上對于月球的觀測，在月球正面的大部分區(qū)域是沒有水冰的，即便有，在月球真空且直接受到太陽輻射等的環(huán)境條件下，也很快就揮發(fā)掉了。因此，相關(guān)結(jié)論并未得到學(xué)界的認(rèn)可?！?/p>

“1969年，阿波羅12號登月后，宇航員造訪1967年降落在月球上的勘查者3號，從已經(jīng)著陸兩年多的探測器上取回了一些設(shè)備，用于研究長期暴露在月球上的設(shè)備是否會受到諸如月塵、高低溫變化、太空輻射等的影響。但令人驚訝的是，后來有科研人員在設(shè)備內(nèi)部檢測出了一種地球上的微生物鏈球菌，對此科研人員提出了兩種可能的解釋，一是月球上確實(shí)存在這種微生物，二是這種微生物是勘查者3號從地球帶去的，在月球上生存了兩年，沒有被嚴(yán)酷的空間環(huán)境殺死。這兩種解釋，無論取信哪一種，都是令人震驚的，在當(dāng)時引起了很大的爭議。后來，直到2000年，一些從事行星保護(hù)的研究者分析當(dāng)時的過程錄像，發(fā)現(xiàn)參與研究的科研人員的衣服都是短袖，很可能是他們暴露在外的皮膚上的微生物污染了樣品，才得出了這樣的錯誤結(jié)論。因此，后來美國國家航空航天局改進(jìn)了地外天體樣品分析的流程，避免再次發(fā)生這樣的錯誤?！迸砭ふf。

“雙保險”保證樣品不被污染

此次對月壤樣品的保護(hù)主要依賴于兩層防護(hù)。首先是采用漏率極低的密封封裝裝置?！霸谠氯罉悠飞形捶祷氐厍驎r，無論是在月球表面的采樣過程，還是在太空中的交會對接和樣品轉(zhuǎn)移過程，都能夠保證真空環(huán)境，需要擔(dān)心的是溫度變化可能對樣品造成的影響。為此，科研人員將返回器中密封封裝裝置的溫度保持在-25℃～55℃，這個溫度與月球自身的溫度范圍（-180℃～130℃）相比變化很小，因此對月壤樣品沒有影響。特別是在返回器進(jìn)入地球大氣的過程中，盡管返回器表面溫度高達(dá)2000℃～3000℃，但密封封裝裝置內(nèi)的溫度依舊能夠保持在這個區(qū)間范圍內(nèi)。”彭兢說。與此同時，嫦娥五號采用的密封封裝裝置漏率極低，可以確?；氐降厍蚝?，即便在地球大氣中停留72小時左右，也不會有其他物質(zhì)進(jìn)入裝置污染月壤樣品。

第二層保護(hù)是在返回地球后交接、運(yùn)輸和處理過程中的相關(guān)措施。當(dāng)密封封裝裝置轉(zhuǎn)交給科學(xué)家時，他們會使用一種專門的保護(hù)裝置來存放密封封裝裝置，里面充了保護(hù)性氮?dú)?。“氮?dú)馐且环N惰性氣體，參考過去的處理經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家認(rèn)為其與月壤樣品間不會發(fā)生反應(yīng)，因此在樣品轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸過程中能最大限度地保護(hù)密封封裝裝置中的月壤樣品。后續(xù)在地面實(shí)驗(yàn)室內(nèi)打開密封封裝裝置的過程中，研究人員也需戴著手套在充氮的特殊裝置內(nèi)處理密封容器和月壤樣品，從而盡可能保持月壤樣品的原始形態(tài)?！迸砭ふf。

為了保存和處理好月壤樣品，地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)家們想盡辦法，建設(shè)了專門的存放設(shè)施和樣品處理分析實(shí)驗(yàn)室，制定了詳盡的操作規(guī)程，盡可能保證月壤樣品不被污染，從而獲得正確可信的科研成果。

“多管齊下”節(jié)約珍貴樣品

凝聚了無數(shù)航天人心血與智慧的1731克珍貴樣品該怎么用、在哪些領(lǐng)域使用才能更大地發(fā)揮其價值，一直是人們關(guān)注的問題。

所謂無損分析，即在不損害或不影響被檢測對象內(nèi)部組織的前提下，對被檢測對象內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等進(jìn)行檢查和測試的方法?！皹悠坊貋砗蟾鶕?jù)正常程序，要經(jīng)過一個無損—少損—有損的分析過程，以保證最大的科學(xué)產(chǎn)出?！敝袊刭|(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院教授肖龍說。無損分析可以幫助研究者了解樣品的基本情況。吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授趙玉巖表示：“目前常見的無損分析比如X射線熒光光譜法，就是利用X射線光管發(fā)出的初級X射線激發(fā)樣品中的原子，通過分析樣品中不同元素產(chǎn)生的特征熒光X射線波長（或能量）和強(qiáng)度，獲得樣品中的元素組成與含量信息?！?/p>

為了節(jié)約樣品，在不得不損害樣品時，研究者也傾向于使用微量分析，在這種分析方法中，被測物質(zhì)的許可量通常僅約為常量的百分之一，重量約為1～15毫克?！氨热缂す鈩兾g電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)，該技術(shù)是將激光束聚集于樣品表面使之融蝕氣化，并通過載氣將樣品微粒載入等離子體中電離，經(jīng)質(zhì)譜系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量過濾，最后用接收器分別檢測不同質(zhì)荷比的離子。這種技術(shù)直接剝蝕固體樣品，避免了試劑污染、樣品分解不完全、易揮發(fā)元素丟失等問題，而且消除了水和酸造成的多原子離子干擾。此外，微量技術(shù)手段還包括納米離子探針技術(shù)、顯微激光拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜法等?！壁w玉巖說，目前的分析技術(shù)已經(jīng)開始向智能化、小型化、在線式及儀器聯(lián)用方向發(fā)展，但針對月壤樣品的珍貴性和特殊性，還需要進(jìn)一步完善分析方法，提高相應(yīng)儀器的靈敏度和分辨率，研發(fā)新技術(shù)新方法。